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涂层方法对薄膜表面形貌的不同影响(2)
2006年8月8日 9:13  
2 、研究与分析

目前用于刀具表面涂层的方法主要有:阴极电弧离子镀、空心阴极离子镀、热阴极离子镀、反应磁控溅射离子镀、化学气相沉积及等离子体辅助气相沉积等,最新的发展也有上述几种方法的组合技术,比如阴极电弧加磁控溅射技术、空心阴极加磁控溅射技术等。本研究主要采用日本电子JSM25900扫描电子显微镜对上述各类薄膜表面形貌进行表征,并浅析其因由。

试验研究条件:采用日本电子JSM25900扫描电子显微镜,工作高压20KV, SEI电子像,放大倍率2000; 工件材料粉末硬质合金, 表面粗糙度Ra0.4μm。

①阴极电弧离子镀阴极电弧离子镀技术目前仍是刀具表面涂层采用较多的技术。图1为国外某涂层公司涂覆的纳米TiAlN 薄膜表面形貌,尽管薄膜表面结构远远超出纳米尺度, 但从所选视区分析颗粒度大体为0.5μm~1μm,所占比例大体相当,较为均匀,且表面没有其他缺陷;图2、图3为国内某企业采用阴极电弧所做TiAlN薄膜表面形貌,从图中可以看出,表面存在较多夹杂物,尺度大小不一,最大尺寸超过5μm,且由图3可得出表面存在大量疏松层。国内阴极电弧技术发展滞后的关键在于应用基础工艺研究的欠缺,从所表征出的现象来看,不仅“液滴”控制技术需进一步研究探索,且成膜机理及致密性的研究工作也还有大量工作要做。大的夹杂(通常刀具薄膜总的厚度都小于5μm)及组织结构疏松极易造成薄膜脱落,导致刀具早期失效,应该说这种涂层难于用于精密切削加工。


图1 国外某公司阴极电弧涂层表面形貌


图2 国内某公司阴极电弧涂层表面


图3 国内某公司阴极电弧涂层表面2

②热阴极离子镀热阴极离子镀技术与空心阴极离子镀技术相似,都以蒸发离子镀为原理,目前国内的应用者仍不乏其众。究其原因是技术简单,工艺基础研究成熟,且可获得优异的表面组织结构。图4、5所示为国内两涂层企业涂覆的TiN薄膜表面形貌特征。热阴极涂层表面几乎没有夹杂物,可以完全复印出基体材料的初始表面形貌(见图5);图4为改变了工件偏压加载方式所获得的薄膜表面形貌,涂层过程中离子的能量发生了较大变化,从而导致了表面形貌的改变。网状结构可能是离子轰击所致,表面出现极少夹杂物,粒度尺寸小于0.2μm。仅从薄膜表面形貌而言,热阴极离子镀薄膜组织致密,更适合于精密涂层,更有利于精密切削加工的应用,因此如何重新开发和利用这一传统工艺技术的特征,适应和满足当前高速、高效、高精的切削加工特点,或许会成为今后的一个刀具涂层技术研究开发的重点之一。


图4 国内某公司热阴极涂层表面形貌1


图5 国内某公司热阴极涂层表面形貌2

 
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